Сверхпроводящие ускоряющие резонаторы из ниобия для электронных линаков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Азарян Николай Сергеевич

• Азарян Николай Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Азарян Николай Сергеевич

Благодарности

Введение

Общая характеристика работы

Линейные электронные ускорители с нормально- и сверхпроводящими СВЧ-структурами

Современные технологии изготовления сверхпроводящих резонаторов

Глава 1. Изготовление деталей сверхпроводящего одноячеечного резонатора на частоту 1.3 ГГц

1.1. Проектирование полуячеек резонатора

1.2. Материал для изготовления сверхпроводящих резонаторов

1.3. Исследование листового материала и отработка технологии химического травления ниобия

1.4. Гидроударная штамповка ниобия

1.4.1. Статические испытания металлов

1.4.2. Динамические испытания металлов

1.4.3. Штамповка полуячеек резонаторов и точность изготовления

1.5. Механическая обработка деталей резонатора

Выводы Главы

Глава 2. Электронно-лучевая сварка ниобия

2.1. Отработка режимов ЭЛС на листовом ниобии

2.2. Анализ полученных сварных соединений

2.3. Сварка деталей резонатора

Выводы Главы

Глава 3. Испытания созданных одноячеечных резонаторов на частоту 1.3 ГГц

3.1. СВЧ-испытания резонаторов

3.1.1. Измерение собственной частоты

3.1.2. Измерение добротности

3.2. Устройство связи с СВЧ трактом для одноячеечного резонатора на частоту 1.3 ГГц

3.3. Стенд для испытаний резонаторов при температуре жидкого гелия

3.4. Результаты СВЧ-испытаний резонаторов

Выводы Главы

Заключение

Список литературы

Посвящается моим родителям Сергею и Ольге Азарян

Благодарности

Первые слова благодарности считаю необходимым высказать моему научному руководителю Г.Д. Ширкову и научному консультанту И.Л. Поболю за помощь на всех этапах выполнения диссертации, а также моим научным наставникам Ю.А. Будагову и Э.А. Перельштейну.

При написании работы автором в той или иной степени использованы результаты исследований, выполнявшихся в соавторстве с ведущими научно-исследовательскими центрами Республики Беларусь. Выражаю искреннюю признательность М.А. Батурицкому, В.А. Карповичу, В.Н. Родионовой (БГУ), А.А. Кураеву, А.К. Синицыну (БГУИР), С.Е. Демьянову, Е.Ю. Канюкову (НПЦ НАНБ по материаловедению), А.Ю. Журавскому, А.И. Покровскому и С.В. Юревичу (ФТИ НАНБ) за плодотворную совместную работу.

Особую благодарность за ценные консультации и всемерное содействие

работе выражаю Р. Кепард, С. Нагайцеву, Л. Ристори (БегшИаЬ); В. Сингер,

К. Сингер, А. Сулимову, Д. Костину, А. Матхайзен, Н. Валкер (ВЕБУ) и С.М. Полозову (МИФИ).

Пользуясь случаем, хочется выразить благодарность моим коллегам и руководителям, талантливым учёным ОИЯИ Д.Л. Дёмину, М.В. Ляблину, С.Б. Ворожцову, Г.А. Карамышевой, Ю.Г. Аленицкому, В.Л. Смирнову, Ю.И. Давыдову, В.В. Глаголеву, В.А. Беднякову, Г.В. Трубникову, а также университетским преподавателям П.Н. Белкину, Д.Е. Попову, И.Г. Дьякову, С.Ю. Шадрину и моим школьным учителям Е.В. Добровой, Н.А. Лебедевой.

Личную искреннюю признательность выражаю моей супруге Татьяне за твердую жизненную поддержку и уют.

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводящие ускоряющие резонаторы из ниобия для электронных линаков»

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Ускорители частиц на базе сверхпроводящих ускоряющих структур находят широкое применение во многих областях современной науки. Прежде всего - это экспериментальная физика элементарных частиц, где ускорители служат основным инструментом учёных.

Ярким примером выдающегося достижения современной физики является недавнее (2012 г.) обнаружение бозона Хиггса на Большом Адронном Коллайдере LHC на установках ATLAS и CMS. Для дальнейших экспериментов в рамках Стандартной Модели, поиска новых явлений и частиц за её пределами необходимо создание нового инструмента - электрон-позитронного коллайдера с энергией в центре масс от 500 ГэВ.

В сравнении с адронной машиной, такой как LHC, лептонный коллайдер обеспечит более оптимальное сочетание достаточной статистики с приемлемой систематикой и более благоприятным отношением эффект/фон. На сегодняшний день лидирующим проектом в этом направлении является Международный Линейный Коллайдер ILC, в котором ускоряющими структурами служат сверхпроводящие резонаторы на частоту 1.3 ГГц. В 2007 г. ОИЯИ присоединился к проекту ILC и предложил размещение коллайдера в Московской области в окрестностях г. Дубна.

Ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проблематике ILC ведутся в ОИЯИ с 2007 г. в рамках темы первого приоритета. Один из основных этапов этих тем - проект по разработке собственной технологии изготовления сверхпроводящих резонаторов из ниобия на частоту 1 .3 ГГц, выполненный в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) в сотрудничестве с рядом ведущих научно-исследовательских центров Республики Беларусь.

Цель и задачи работы

Изготовление сверхпроводящих резонаторов - это комплексный высокотехнологичный процесс, в котором задействованы последние достижения в криогенике, вакуумной технике, технологиях сварки, химии, материаловедении, СВЧ-технике. На сегодняшний день в странах-участницах ОИЯИ отсутствуют серийные технологии изготовления сверхпроводящих

резонаторов, и в первую очередь в работе ставилась задача освоения зарекомендовавших себя технологий с целью обеспечения проекта ГЬС дополнительным производителем резонаторов в сотрудничестве с учёными и специалистами ОИЯИ и стран-участниц. Эта постановка определила следующие цели:

1. Определить геометрические параметры резонаторов, отвечающих проектным параметрам ускорителя ГЬС и разработать техническое задание для их изготовления.

2. Создать экспериментальную базу, отвечающую современным критериям промышленного производства сверхпроводящих резонаторов, разработать технологию штамповки полуячеек, освоить технологию электронно-лучевой сварки высокочистого ниобия.

3. Создать экспериментальную базу для СВЧ-испытаний резонаторов при комнатной температуре и температуре жидкого гелия, измерить СВЧ-параметры первой опытной серии ниобиевых резонаторов, изготовленных по собственной технологии.

Научная новизна

Предложен и реализован принципиально новый метод формирования ниобиевых полуячеек гидроударной штамповкой, ранее не применявшийся для изготовления СВЧ-резонаторов.

Впервые экспериментально определена предельная степень вытяжки при гидроударной штамповке ниобия высокой чистоты. Созданная оригинальная технология удовлетворяет требованиям производства сверхпроводящих ниобиевых резонаторов.

Разработано и запатентовано уникальное устройство связи, обеспечивающее эффективное возбуждение резонатора и оптимальную передачу в резонатор СВЧ мощности.

Практическая значимость работы

Впервые в научных центрах стран-участниц ОИЯИ реализован комплекс технологических процедур изготовления сверхпроводящих резонаторов из высокочистого ниобия для ускорителей заряженных частиц. Испытания опытной серии сверхпроводящих резонаторов показали: их качество удовлетворяет современным требованиям и при внедрении в промышленное производство отечественные резонаторы могут быть конкурентоспособными по сравнению с зарубежными аналогами. Опыт создания и исследования ниобиевых резонаторов нашёл продолжение в ОИЯИ в проекте протонного инжектора ускорительного комплекса НИКА.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты расчётов геометрических параметров резонатора на частоту 1.3 ГГц в соответствии с проектными параметрами ускорителя ILC для изготовления одноячеечного резонатора.

2. Экспериментальная база для полного производственного цикла изготовления одноячеечных резонаторов, ранее отсутствовавшая в ОИЯИ и научных центрах стран-участниц. Результаты отработки технологического процесса гидроударной штамповки высокочистого листового ниобия, обеспечивающих полную вытяжку заготовки при требуемой проектной точности изготовления.

3. Результаты отработки режимов электронно-лучевой сварки особочистого ниобия, отвечающих критериям промышленного производства сверхпроводящих резонаторов для ILC.

4. Метод прецизионного измерения ультравысоких собственных добротностей сверхпроводящих резонаторов в диапазоне 108 - 1010, основанный на возбуждении колебаний в резонаторе электронным потоком.

5. Устройства связи, обеспечивающее эффективное возбуждение резонатора на уровне согласования не хуже КСВ = 1.01.

6. Экспериментальная база для исследований одноячеечных СВЧ-резонаторов при комнатной температуре и температуре жидкого гелия. Результаты СВЧ испытаний первой опытной серии ниобиевых резонаторов, изготовленных с применением технологии гидроударной штамповки.

Степень достоверности и апробация работы

При выполнении работы получен патент [1], основные результаты опубликованы в пяти рецензируемых журналах [2 - 6]. Всего результаты работы представлены в 16 научных публикациях [2 - 17], и в 12 докладах, в том числе на международных конференциях:

- 15, 16, 17, 18 Международная научная конференция молодых учёных и специалистов ОИЯИ (0МУС-2011, 0МУС-2012, 0МУС-2013, ОМУС-2014), Дубна, Россия.

- 23 Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц (RuPAC 2012) , Санкт- Петербург, Россия.

- X-Ray Free Electron Laser school (XFEL 2012), Анси, Франция.

- 4 International Particle Accelerator Conference (IPAC'13), Шанхай, Китай.

- 8 and 9 International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'2013, MSMW '2016), Харьков, Украина.

- 16 Международная научно-техническая конференция "Технологии и оборудование ЭЛС-2014", Санкт- Петербург, Россия.

- TESLA Technology Collaboration at DESY, 2014 г., Гамбург, Германия.

- TESLA Technology Collaboration at KEK, 2014 г., Цукуба, Япония.

Из представленного списка докладов 7 доложены лично автором, его доклад на конференции RuPAC-2012 удостоен Диплома 2-й степени на конкурсе молодых учёных -участников конференции.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием аттестованных измерительных средств и апробированных методик, а также хорошей воспроизводимостью результатов. Разработанные и созданные стенды для проведения СВЧ-испытаний резонаторов, а также применённые методики измерений сперва были отработаны на готовом одноячеечном Nb-резонаторе, полученном в рамках международного сотрудничества по программе ILC из Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США) - этот резонатор был принят в качестве эталонного образца.

Личный вклад

Личное участие автора в работах, составляющих основу диссертации, является определяющим. При его непосредственном участии выполнено научное планирование и координирование всех этапов НИОКР, обеспечившее создание первой опытной серии сверхпроводящих резонаторов из ниобия на частоту 1.3 ГГц.

В соавторстве проведены теоретические расчёты по оптимизации геометрии резонатора, по результатам которых при определяющем участии автора создано Техническое задание на изготовление резонатора.

Как лично автором, так и в соавторстве, экспериментально исследованы свойства ниобия разных производителей. Автор предложил постановку и лично участвовал в экспериментах по травлению ниобия, имевших целью отработку режимов химической очистки материал. При участии автора спроектирована специализированная технологическая оснастка для ключевых этапов производства деталей резонаторов, отработаны режимы электронно-лучевой сварки резонатора. В соавторстве впервые получена диаграмма штампуемости особочистого ниобия для метода гидроударной штамповки.

Разработано и запатентовано в соавторстве устройство связи для СВЧ-испытаний резонаторов. При определяющем участии автора выбраны и реализованы методики СВЧ-измерений, созданы экспериментальные стенды и проведены испытания готовых резонаторов.

Как в соавторстве, так и лично выполнена апробация результатов исследования. Большинство публикаций и докладов по теме диссертации подготовлены и представлены лично автором.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 108 страниц, включает в себя 51 рисунок и 12 таблиц. Для обозначения рисунков и таблиц применена сквозная нумерация. Список литературы содержит 94 цитируемых источника.

Линейные электронные ускорители с нормально- и сверхпроводящими СВЧ-структурами

Линейные ускорители [18 - 20] принадлежат к числу самых старых типов ускорителей, принцип действия которых был предложен ещё шведским физиком Густавом Изингом в 1925 г. и впервые построен в Германии в 1928 г. Рольфом Видероэ, норвежцем по происхождению. Прибор Видероэ был чисто демонстрационным, а первый «рабочий» линейный ускоритель построили в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии за расщепление ядер на созданной ими установке. К настоящему времени апогеем развития линейных ускорителей являются два международных проекта - Компактный Линейный Коллайдер CLIC [21] с «тёплыми» (т.е. нормальнопроводящими) ускоряющими структурами и Международный Линейный Коллайдер ILC [22], основанный на применении сверхпроводящих резонаторов [23 - 25].

Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.

Увеличение энергии частиц в любом ускорителе есть результат взаимодействия электрического поля с её зарядом, в процессе которого энергия поля передаётся заряженной частице. Электрическое поле может создаваться различными способами и иметь разный характер. По принципу действия линейные ускорители образуют следующие обособленные группы: высоковольтные ускорители, линейные индукционные ускорители и линейные резонансные ускорители. Термин "линак" чаще применяется к последней группе. Здесь будет дан обзор ускоряющих структур резонансных линейных ускорителей, в которых ускорение происходит электрическим полем, получаемым в высокочастотных резонаторах.

Несмотря на различие в схемах построения во всех линейных ускорителях, в связи с однократным прохождением ускоряемых частиц через ускоряющие зазоры применяют сильные ускоряющие поля. Это приводит к необходимости использовать мощные генераторы для создания ускоряющих полей, тем самым ограничивая применение линаков для ускорения тяжёлых частиц в области высоких энергий, где более выгодно применять циклические ускорители. В последнем случае линейные ускорители тяжёлых частиц используются как инжекторы. Это ограничение не распространяется на линейные ускорители электронов, которые находят применение вплоть до самых высоких энергии.

В линейных резонансных ускорителях частицы ускоряются высокочастотным электрическим полем, двигаясь синхронно (в резонанс) с изменениями поля. Ускоряющее ВЧ поле в линаках можно получить различными способами:

• созданием переменного во времени электрического поля в зазоре между дрейфовыми трубками, на которые подаётся потенциал от ВЧ-генератора;

• возбуждением электромагнитной волны в диафрагмированных волноводах;

• возбуждением электромагнитных колебаний в объёмных резонаторах;

• в высокочастотных электрических квадруполях.

Преимущество применения ВЧ резонаторов очевидно из соображений рационального использования поступающей в ускоряющую структуру мощности. Целесообразнее использовать резонансную систему, в которой реактивная мощность внутри резонансного контура на несколько порядков превышает активную мощность, потребляемую от высокочастотного генератора для компенсации потерь в колебательном контуре.

Наилучшим резонансным контуром является полый резонатор, обладающий высокой добротностью контура:

X р 3

где Рр - реактивная мощность в ускоряющем промежутке, Ра - активная мощность, потребляемая ВЧ генератором.

Резонаторы должны иметь замкнутый объём для того, чтобы электромагнитная энергия, заключённая внутри резонансного объёма, не излучалась в пространство. В идеальном случае,

г- " ^£3 _

когда в резонаторе отсутствуют потери, запасённая энергия Ь3 остаётся постоянной: — = 0.

Это означает, что в идеальном резонаторе колебания электромагнитного поля должны протекать сколь угодно долго.

При применении реальных резонаторов в качестве ускоряющих промежутков в них оставляются небольшие отверстия для прохода пучка частиц и для связи резонатора с другими элементами ВЧ системы ускорителя, а также имеют место потери энергии в стенках резонатора. По этим причинам в реальных резонаторах свободные незатухающие колебания не существуют. Отверстия в резонаторах должны быть достаточно малыми, чтобы излучение электромагнитной энергии не снижало существенно добротность резонансной системы. Потерям мощности в стенках резонатора будет уделено особое внимание, т.к. именно в них и заключается принципиальное различие «тёплых» и сверхпроводящих резонаторов.

Теория и расчёт резонаторов являются большими самостоятельными разделами современной радиотехники. Здесь же кратко рассмотрим основные физические величины, характеризующие объёмные ВЧ резонаторы.

Основной величиной, характеризующей высокочастотный резонатор, как и любой колебательный контур, является частота собственных колебаний электромагнитного поля в резонаторе. Величина резонансной частоты ш0 определяется геометрическими размерами резонатора и структурой электромагнитного ВЧ поля возбужденных колебаний. Структура поля в объёмном резонаторе определяется путём решения уравнений Максвелла при определённых граничных условиях на поверхности, ограничивающей резонансный объём.

В объёмных резонаторах могут существовать отдельно колебания электрического (колебания £-типа) и магнитного (колебания #-типа) типов, характеризующиеся тем, что в первом случае поля содержат продольную (направленную вдоль оси пучка) составляющую электрического поля, но не содержат продольной магнитной составляющей. Во втором случае отсутствует продольная составляющая электрического поля, но имеется магнитная продольная составляющая. Колебания характеризуются тремя целочисленными индексами указывающими число полуволн вдоль базисных ортов системы координат, описываемой конкретный резонатор. Сами же колебания при этом называются соответственно колебаниями типа Ецк или Н1}к.

Резонансная частота обратно пропорциональна первой степени линейных размеров резонатора. Для цилиндрического объёмного резонатора радиуса И и высотой Н частота колебаний типа определяется формулой

+(?) ,

где £ и д - абсолютные диэлектрические проницаемости вещества, заполняющего резонатор; ^¿у - у-тый корень функции Бесселя .

Для колебаний типа резонансная частота

V и) + (я. где ^¿у -у-тый корень уравнения/¿(х) — 0.

В линейных ускорителях наиболее широкое применение находят резонаторы с колебаниями типа Еою, при которых электрическая составляющая направлена вдоль оси ускорения пучка заряженных частиц по длине резонатора, а силовые линии магнитной составляющей выглядят концентрическими окружностями с центром на оси пучка.

В ускорительной технике широкое применение находят многоячеечные резонаторы, когда ускоряющая структура представляет собой цепочку объёмных резонаторов, запитываемых от одного высокочастотного генератора. В этом случае возможны различные моды колебаний одного типа. Амплитуда поля в р-том резонаторе на д-той моде колебаний определяется выражением

р _ и пд(р-1/2)

Ьрч = ¿о 51П—л-,

где Е0 - амплитуда колебаний ВЧ поля в отдельном резонаторе; N - число резонансных ячеек. В этом случае уход частоты колебаний на q -той моде можно определить по формуле

= ¡1--— (1 + соб —) ,

^ 1+2& V N ) '

где к - коэффициент связи между ячейками, зависящий от размеров окна между резонаторами.

Из этих выражений видно, что основная мода колебаний в цепочке объёмных резонаторов с одинаковым значением амплитуды во всех ячейках возбуждается в режиме q = N - это так называемая п-мода.

На высоких частотах ток протекает по тонкому слою внутренней поверхности резонатора и его плотность } убывает с глубиной проникновения у по экспоненциальному закону:

№ =)ое-у/5,

где

1

5 =

2

- величина, характеризующая глубину проникновения тока (скин-слой), у0 - плотность тока на поверхности проводника, д - магнитная проницаемость вещества проводника, д0 - магнитная постоянная, а - удельная электрическая проводимость.

У сверхпроводников скин-слой значительно меньше, чем у металлов при комнатной температуре (т.е. «тёплых») - это явление называется аномальным скин-эффектом [24, 26]. Оно начинает проявляться при определённых значениях температуры, зависящих от природы сверхпроводника и частоты электромагнитного поля. Такое явление ограничивает увеличение проводимости чистых металлов при низкой температуре. Например, значение сопротивления меди на сверхвысоких частотах (СВЧ) только на порядок меньше её сопротивления при комнатной температуре. В настоящее время наиболее широкое применение в ускорительной технике находят резонаторы, изготовленные из высокочистого ниобия. Аномальный скин-эффект связывают с увеличением длины пробега электронов в металле при понижении температуры. Глубина аномального скин-слоя пропорциональна не ш-1/2, как в нормальном состоянии, а ^-1/3.

Согласно теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шифера [27 - 28], поверхностное сопротивление проводника

п ш^-1.76ТкрТ

Къкш~ — е кр

где Гкр - температура перехода в сверхпроводящее состояние.

Такое поведение сверхпроводника в ВЧ поле приводит к высоким потерям энергии на высоких частотах. Так, для ниобия, теряется целесообразность его применения на частоте выше 3 ГГц.

На низких частотах доминирует остаточное сопротивление, связанное с наличия в металле посторонних примесей и рассеянием электромагнитной энергии на границах зёрен в металле. Для характеристики этого сопротивления применяется величина RRR (Residual Resistance Ratio) - отношение сопротивления материала при комнатной температуре к сопротивлению при 4.2 К в нормальном состоянии [29]. Для снижения этого сопротивления уделяется особое внимание чистоте исходного материала и чистоте производства резонаторов для исключения возможности загрязнения при изготовлении.

Скажем несколько слов о влиянии на сверхпроводник магнитного поля, которое приводит к переходу в нормальное состояние (квэнчу) при значениях выше критического для каждого материала. Этой проблеме уделяется крайне большое внимание при проектировании и эксплуатации магнитных систем ускорителей. В ускоряющих ВЧ структурах из ниобия квэнч наблюдается редко, так как более существенное ограничение вносит электрическая составляющая электромагнитного поля, приводящая к электрическому пробою, эмиссии электронов со стенок резонатора и их мультипакции, локальному переходу в нормальное состояние из-за нагрева дефектов поверхности электрическим полем и т.д. Тем не менее наличие в материале сверхпроводника магнитных примесей может привести к локальному переходу в нормальное состояние с последующим разогревом, что в последствии переводит в нормально проводящее состояние весь резонатор. Для исключения такой возможности, опять же, уделяется высокое внимание к химической чистоте сверхпроводника. Для исключения возможности перехода ВЧ структур в нормальное состояние под влиянием поля магнитных систем ускорителя в конструкциях криомодулей применяются магнитоизолирущие материалы.

Одной из важнейших характеристик линейного ускорителя является темп набора энергии ускоряемой в резонаторе частицы. В циклическом ускорителе для набора требуемой энергии частица может проходить через ускоряющий элемент многократно. В линейном ускорителе такая возможность исключена, поэтому темп набора энергии в ВЧ резонаторе линака явно влияет на его длину, и, соответственно, на стоимость его сооружения и эксплуатации.

Темп набора энергии в ускорителе ограничен максимально возможной напряженностью, которую можно достичь в резонаторе. Эта величина определяется качеством внутренней поверхности резонатора и частотой ВЧ колебаний электрического тока. Долгое время электрическая прочность вакуумного зазора ВЧ структур определялась эмпирическим критерием Килпатрика [30]:

8.5

/(Е) — 1.64Е2е-~, где частота / задана в МГц, а напряжённость электрического поля в МВ/м.

К настоящему времени существенно выросло качество полировки внутренних стенок резонаторов. Соответственно, и максимально достижимые напряженности ВЧ поля превышают кривую Килпатрика в несколько раз. Сейчас принято считать эту кривую Килпатрика за единицу и говорить во сколько раз напряженность превышает этот критерий [31].

Наряду с резонансной частотой ш0 резонаторы характеризуют добротностью Q, которая определяет способность резонатора сохранять запасённую энергию Ез в режиме свободных колебаний:

- ^

Е3(1)—Е3(0)е 1 .

Кроме того, добротностью определяется полоса пропускания резонатора в режиме вынужденных колебаний:

Q— —,

^ 2йш '

где 2йш - ширина резонансной кривой на уровне половины мощности.

Оценка добротности может быть проведена энергетическим методом, согласно которому

_ _ Ш0Е3

Q = <Рп> ,

где < Рп > - средняя мощность потерь за период ВЧ колебаний.

Помимо сказанного, выражение для собственной добротности иногда представляют в виде

Q — с/ъ,

где С - геометрический фактор, зависящий только от размеров резонатора и типа колебаний в нём, Я5 - поверхностное сопротивление на стенках резонатора.

Так, как ток в резонаторе проникает на ничтожно малую глубину, то для снижения величины потерь и увеличения добротности резонатора его внутренняя поверхность должна быть выполнена с максимально возможной тщательностью. Именно проводимости поверхностного слоя, его структуре, химическому составу и качеству полировки внутренней поверхности резонатора уделяется наибольшее внимание при изготовлении высокодобротных резонаторов.

Основное преимущество сверхпроводящих резонаторов — это крайне низкое поверхностное сопротивление - около 10 нОм при 2 К. Характерная добротность «тёплых» -104-105. В свою очередь, в сверхпроводящих резонаторах она может превысить 1010, тем самым снижая ВЧ потери на 5-6 порядков. Несмотря на эксплуатационные расходы на криогенное оборудование применение сверхпроводящих ВЧ систем для ускорения частиц является экономически выгодным по причине значительной экономии потребляемой электроэнергии. В стенках резонатора выделятся лишь малая доля ВЧ излучения, а львиная доля передаётся пучку.

В то же время нельзя однозначно сказать, что сверхпроводящие резонаторы лучше тёплых ускоряющих ВЧ структур - существует ряд ограничений. Физические ограничения на сверхпроводящие резонаторы определяются такими условиями, чтобы высокочастотное магнитное поле на внутренней поверхности оставалось ниже критического значения. К настоящему времени данная проблема не является столь существенной, т.к. возможность электрического пробоя вносит более жёсткие ограничения на максимально допустимую напряжённость электромагнитного поля. Возникновение магнитного квэнча возможно лишь в случаях некачественно изготовленных резонаторов и в резонаторах-рекордсменах по достигнутым напряжённостям электромагнитного поля. В настоящее время для резонаторов, работающих на частоте 1.3 ГГц эта величина составляет 50-60 МВ/м, что близко к значениям, описываемым теоретическими моделями.

Как было сказано, максимально достижимое электрическое поле ограничивается частотой колебаний электромагнитного поля. Согласно теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шифера, поверхностное сопротивление проводника растёт с увеличением частоты, что ограничивает применение, к примеру, для ниобиевого резонатора частотой 2-3 ГГц. Таким образом, в линейном ускорителе с нормально проводящими резонаторами, в которых возможна работа на более высокой частоте, имеется возможность получения более высокого темпа ускорения, что в свою очередь, уменьшает длину линака, а соответственно, и его стоимость. Эта разница наглядно видна при сравнении проектируемых CLIC и ILC - в первом случае резонансная частота ВЧ структур 12 ГГц и ускоряющий градиент порядка 100 МВ/м, а во втором эти значения соответственно 1.3 ГГц и 30 МВ/м.

В свою очередь, работа на относительно низкой частоте благоприятно сказывается на характеристиках ускоренного пучка, позволяя ускорять достаточно протяжённые банчи с малым эмитансом, а высокая частотная стабильность высокодобротных ВЧ резонаторов минимизирует фазовые колебания в банче. К тому же, в этом частотном диапазоне доступны высокомощные клистроны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Азарян Николай Сергеевич, 2019 год

Список литературы

1. Азарян Н.С., Будагов Ю.А., Ширков Г.Д., Карпович В.А., Родионова В.Н. и и др., «Устройство связи для цилиндрического резонатора СВЧ». Республика Беларусь Патент BY 9583 U 2013.10.03, 13 Март 2013.

2. Азарян Н.С., Будагов Ю.А., Кураев А.А, Ширков Г.Д. и и др., «Расчет одноячеечного сверхпроводящего ниобиевого резонатора для ускорителя электронов и позитронов», Письма в ЭЧАЯ, т. 9, № 2, pp. 247-268, 2012.

3. Азарян Н.С., Будагов Ю.А., Кураев А.А., Ширков Г.Д. и и др., «Измерение ультравысокой собственной добротности путём возбуждения сверхпроводящего резонатора электронным потоком», Письма в ЭЧАЯ, т. 10, № 7, pp. 1282-1291, 2013.

4. Demyanov S.E., Pobol I.L., Shirkov G.D., Budagov Yu.A., Azaryan N.S. и et al., «Superconducting properties of ultra-pure niobium welded joints», Low Temperature Physics, т. 41, № 7, pp. 522-527, 2015.

5. Азарян Н.С., Ширков Г.Д., Журавский А.Ю., Петраковский В.С. и Батурицкий М.А., «Изготовление деталей сверхпроводящих резонаторов из ниобия методом гидроударной штамповки», Письма в ЭЧАЯ, т. 13, № 2, pp. 345-353, 2016.

6. Azaryan N.S., Budagov Yu.A., Karpovich V.A., Pobol I.L., Rodionova V.N., Shirkov G.D. и et al., «Measurement of Microwave Parameters of a Superconducting Niobium Cavity», Journal of Engineering Physics and Thermophysics, т. 90, № 1, pp. 242-249, 2017.

7. Azaryan N.S. и et al., «Superconducting niobium cavity for ILC accelerator», Труды XVI научной конференции молодых учёных и специалистов ОИЯИ, pp. 79-82, 2012.

8. Azaryan N.S. и et al., «Creation and testing of the stands for RF measurements of niobium SC cavities at room temperature and at the liquid heliumtemperature», Труды XVII научной конференции молодых учёных и специалистов ОИЯИ, pp. 106-110, 2013.

9. Азарян Н.С., Юревич С.В. и и др., «Исследование процесса химического травления ниобия при изготовлении СВЧ резонаторов», Труды XVII научной конференции молодых учёных и специалистов ОИЯИ, pp. 116-119, 2013.

10. Юревич С.В., Азарян Н.С. и и др., «Исследование процесса электронно-лучевой сварки ультрачистого ниобия для изготовления СВЧ резонаторов», Труды XVIII научной конференции молодых учёных и специалистов ОИЯИ, pp. 153-156, 2014.

11. Азарян Н.С., Будагов Ю.А., Кураев А.А., Ширков Г.Д. и и др., «Влияние геометрии сопряжения сверхпроводящего ниобиевого резонатора с трубкой дрейфа на его характеристики», Сообщение Объединенного института ядерных исследований Р9-2013-49, 2013.

12. Поболь И.Л., Юревич С.В., Азарян Н.С. и и др., «ЭЛС ниобия для усоряющих структур», Доклады Санкт-Петербургской Международной научно-технической конференции «Технологии и оборудование ЭЛС - 2014», pp. 135-140, 2014.

103

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

Azaryan N.S. и et al., «Dubna-Minsk activity on the development of 1.3 GHz superconducting single-cell RF-cavity», Proceedings of RuPAC2012, Saint-Petersburg, Russia, pp. 602-604, 2012.

Azaryan N.S. и et al., «Dubna-Minsk SRF technology development status report», Proceedings of IPAC2013, Shanghai, China, pp. 2393-2395, 2013.

Azaryan N.S., Rodionova V.N. и et al., «Superconducting single-cell RF-cavity for ILC accelerator», Proceedings of 8th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW-2013), 2013.

Azaryan N.S., Rodionova V.N. и et al., «Measurement resonance frequency and quality-factor of resonant cavity of Tesla-type in superconducting regime», Proceedings of 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW-2016), 2016.

Азарян Н.С., Батурицкий М.А. и др., Состояние и перспективы создания резонаторов для нового поколения e+e- линейных ускорителей и коллайдеров. Международное рабочее совещание, Минск, 22-25 апреля, 2014 г., Дубна: ОИЯИ Р9-2014-98, 2014.

Лебедев А.Н., Шальнов А.В., Основы физики и техники ускорителей, М.: Энергоатомиздат, 1991.

И.М. Капчинский, Теория линейных резонансных ускорителей, М.: Энергоатомиздат, 1982.

Alexander Wu Chao и Maury Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, Singapore: World Scientific, 1999.

Edited by M. Aicheler, P. Burrows, M. Draper, T. Garvey, P. Lebrun, K. Peach, N. Phinney, A Multi-TeV linear collider based on CLIC technology: CLIC Conceptual Design Report, Geneva: CERN-2012-007, 2012.

Internationatl Linear Collider Technical Design Report, 2013.

Edited by R. Bailey, «RF for accelerators», CERN Accelerator School 2010, Ebeltoft, Denmark, CERN-2011-007CAS.

A.Н. Диденко, Л.М. Севрюкова и А.А. Ятис, Сверхпроводящие СВЧ-структуры, М.: Энергоатомиздат, 1981.

B. Aune et al., «Superconducting TESLA cavities», Physical Review Special Topics -Accelerators and Beams, v. 3, № 9, pp. 092001 1-25, 2000.

В.Л.Гинзбург и Е.А.Андрюшин, Сверхпроводимость. 2-е издание, переработанное и дополненное, Альфа-М, 2006.

J. Bardeen, L.N. Cooper и J.R. Schrieffer, «Theory of Superconductivity», Physical Review, V. 108, № 7, pp. 1175-1204, 1957.

Н.Н. Боголюбов, В.В. Толмачев и Д.В. Ширков, Новый метод в теории сверхпроводимости, М.: Изд-во АН СССР, 1958.

H. Padamsee, RF Superconductivity: Science, Technology and Applications, John Wiley & Sons, 2009.

30. W.D. Kilpatrick, «Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both RF and DC», Review of Scientific Instruments, V. 28, № 10, p. 824-821, 1957.

31. В.А. Тепляков, А.П. Мальцев и В.Б. Степанов, Высокочастотная квадрупольная фокусировка (К истории ее возникновения и развития), Протвино: ИФВЭ 2006-5, 2006.

32. Арбузов Б.А., «Физика подкритического ядероного реактора», Соросовский образовательный журнал, № 1, pp. 73-78, 1997.

33. Полозов С.М и Фертман А.Д., «Ускорители протонного пучка большой мощности для подкритических ядерных установок», Атомная энергия, № 9, pp. 155-162, 2012.

34. Dieter Proch, «New Ways of Cavity Fabrication», Particle Accelerators, Vol. 53, pp. 241-251, 1996.

35. K. Saito et al, «Proceedings of PAC-95», 1995.

36. J. Kirchgessner, «SRF note 820905», Cornell University.

37. V. Palmieri, «Spinning of Tesla-Type Cavities: Status of Art», Proc. of the 9th Workshop on RF Superconductivity, p. 532 - 537, 1999.

38. V. Palmieri, «Advancements on Spinning of Seamless Multicell Reentrant Cavities», Proceedings of SRF2013, 2013.

39. W. Singer et al., «Hydroforming of elliptical cavities», Phys. Rev. ST Accel. Beams 18, 022001, 2015.

40. Л.М. Севрюкова, В.И. Суздалев, Д.Л. Филиппов, «Способ изготовления сверхпроводящего резонатора», Патент РФ № 2231235, 20.06.2004.

41. Л.И.Вороненко, А.В.Елютин, К.С.Ковалев, «Способ получения ниобия высокой чистоты», Патент РФ на изобретение № 2161207, 27.12.2000.

42. X.Singer et al, «Single-cell Superconducting RF Cavities from Ultra-high-purity Niobium», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 574, pp. 518-520, May 2007.

43. W. Singer, A. Ermakov, X. Singer, «RRR-Measurement Techniques on High Purity Niobium», TTC-Report 2010-02, DESY, 2010.

44. ГОСТ 2789-73, Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

45. ТУ2-034-4-83, Профилометр цеховой с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем модель 296, Московский инструментальный завод "Калибр", 1982.

46. ГОСТ 19300-86, Средства измерений шероховатости поверхности профильным методом. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры.

47. ГОСТ 2789-59, Шероховатость поверхности.

48. ГОСТ Р ИСО 6507-1 2007, Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод измерения.

49. «ImageSP - программа для электронной и световой микроскопии», Унитарное предприятие «СИСПРОГ», г. Минск, Беларусь.

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

L.Lilje, C.Antoine, C.Benvenuti et al, «Improved Surface Treatment of the Superconducting TESLA Cavities», Nucl. Inst. Meth. A 516 (2-3), pp. 213-227, 2004.

C.Cooper, G.Galasso, A.Rowe, C.Boffo, «Optimization of BCP processing of elliptical Nb SRF cavities», Proceedings of SRF 2007, pp. 308-312, 2007.

K.Saito et al., «Superiority of electropolishing over chemical polishing on high gradients», Proceedings of SRF 1997, pp. 795-813, 1997.

D. Bloess, «Chemistry and surface treatment», Proceedings of SRF Workshop 1984, pp. 409425, 1984.

E.Dwersteg, W.Ebeling, W.Flaqer et al, «Superconducting cavity activities at DESY», Proceedings of SRF Workshop 1984, pp. 63-74, 1984.

A.Aspart, C.Z.Antoine, «Study of the Chemical Behavior of Hydrofluoric, Nitric, and Sulfuric Acids Mixtures Applied to Niobium Polishing», Applied Surface Science, v. 227, p. 17-29, 2004.

К. Зигбан, «Электронная спектроскопия атомов, молекул и конденсированного вещества / Нобелевские лекции по физике 1981 года,» УФН, т. 138, № 2, pp. 223-249, 1982.

W. Singer, J. Iversen, A. Schmidt, Technical Specifications for the Series Mechanical Fabrication of Superconducting 1.3 GHz Cavities for the European XFEL, Rev.B, Hamburg, 2009.

B.С. Петраковский, А.Ю.Журавский, «Оценка штампуемости сверхчистого ниобия при гидроударном нагружении», VIII Международная научно-техническая конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, 2013.

ГОСТ 11701-84, «Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент».

Б.Н. Арзамасов и др., Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений, М.: Машиностроение, 1986.

В.С.Петраковский, «Оценка штампуемости листового металла при гидроударной вытяжке,» в Импульсные методы обработки материалов, Минск, Наука и техника, 1979, pp. 77-81.

В.С.Петраковский, Г.Н.Здор, А.Ю.Журавский, «VI Международная научно-техническая конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов»,» в Инженерный метод расчета процесса импульсной вытяжки листовых материалов, Минск, 2011.

В.П.Романовский, Справочник по холодной штамповке, Ленинград: Машиностроение, 1979.

М.Е.Зубцов, Листовая штамповка, Москва: Машгиз, 1958.

В.Н.Алехнович, А.В.Алифанов, А.И.Гордиенко и И.Л.Поболь, Электронно-лучевая обработка материалов, Минск: Белорусская наука, 2006.

В.В.Фролов, Теория сварочных процессов, Москва: Высшая школа, 1988.

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

J.L.Kirchgessner, «Forming and welding of niobium for superconducting cavities», Proceedings of The Third Workshop on RF Superconductivity, Illinois, pp. 533-543, 1987.

R.LGeng, J.Knobloch, H.Padamsee, «Micro-Structures of RF Surfaces in the Electron-Beam-Weld Regions of Niobium», Proceedings of the 1999 Workshop on RF Superconductivity, New Mexico, pp. 238-245, 1999.

H.Padamsee, J.Knobloch, T.Hays, RF Superconductivity for Accelerators, New York: John Wiley & Sons, 1998.

A.Schmidt, A.Brinkmann, J. Iversen et al., «1.3 GHz Niobium Single-Cell Fabrication Sequence», TTC Report, № 2010-01, 2010.

J.Brawley, J.Mammosser, L.Phillips, «Electron Beam Weld Parameter Set Development and Cavity Cost», Proceedings of the 1997 Workshop on RF Superconductivity, Padova, pp. 518522, 1997.

H.Jiang, T.R.Bieler, C.Compton, T.Grimm, «Mechanical Properties, Microstructure, and Texture of Electron Beam Butt Welds in High Purity Niobium», Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, Portland, 1359 (2003)., pp. 1359-1361, 2003.

T.Kubo, Y.Ajima, Y.Iwashita, T.Nagata et al., «Electron Beam Welding for High Gradient Superconducting Cavity», Proceedings of the «IPAC 2013» conference, Shanghai, pp. 2346-2348, 2013.

ГОСТ Р ИСО 857-1-2009, Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 1. Процессы сварки металлов. Термины и определения.

http://www.cryogenic.co.uk/, London, UK: Cryogenic Limited.

2400 Series SourceMeter User's Manual, Cleveland, Ohio, U.S.A.: Keithley Instruments Inc., 1998.

L.J. Van der Pauw, «A method of measuring the resistivity and Hall coefficient on lamellae of arbitrary shape», Philips Technical Review, V. 20, N. 7, pp. 220-224, 1958.

Ф. Блатт, Физика электронной проводимости в твердых телах, Москва: Наука, 1971.

The European X-Ray Free-Electron Laser Technical design report, Hamburg, 2007.

А.Н.Зайцев, П.А.Иващенко и А.В.Мыльников, Измерения на сверхвысоких частотах и их метрологическое обеспечение, М.: Изд-во стандартов, 1989.

Лебедев Н.В., Техника и приборы СВЧ. Под ред. Н.Д.Девяткова, М.: Высшая школа, 1970.

О.А.Вальднер, О.С.Милованов, Н.П.Собенин, Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория, М.: Атомиздат, 1974.

R.E.Collin, Foundations for Microwave Engineering, N.Y.: Wiley Interscience, 2001.

Генераторы сигналов высокочастотные Г4-78 - Г4-83. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и паспорт, Нижний Новгород: П/я В-8201.

Технические характеристики частотомеров серии Ч3-85, Credix, http://www.rlocman.ru/op/tovar.html?di=71237&/Ch3-85/1.

86. Ваттметр поглощаемой мощности термоэлектрический МЗ-21/а. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Каунас: НИИРИТ.

87. Agilent E5061B Network Analyzer. Configuration Guide, Agilent Technologies, Inc., USA, 2009.

88. Генератор рубидиевый опорный LPFRS-01. Руководство по эксплуатации ЯКУР.411653.005РЭ, Нижний Новгород: ЗАО "Время-Ч", 2012.

89. Fluke PM 6681R Time Analyzer and Rubidium frequency reference, Application Note, USA: Fluke Corporation.

90. William E. Wilson и Trevor J. Nixon, Resonator coupling device with a rotatable ring for adjusting the loaded Q, Patent US 5625330, 29.04.1997.

91. В.Е.Милошенко и В.С.Железный, Техника эксперимента в физике низких температур, Воронеж: Воронеж.гос.тех.ун-т, 2003.

92. Ю.П.Солнцев и Г.А.Степанов, Материалы в криогенной технике, Ленинград: Машиностроение, 1982.

93. Technical specification L1410/LR1430 V1.1-05/11, Linde Cryogenics.

94. В.Л.Гинзбург и Е.А.Андрюшин, Сверхпроводимость. 2-е издание, переработанное и дополненное, Альфа-М, 2006.